APL| 超构材料助力传统大功率微波辐射源重焕生机

撰稿|由课题组供稿

近日，电子科技大学电子科学与工程学院，微波电真空器件国家级重点实验室的段兆云教授研究小组及其合作者在基于超构材料的高效率、小型化大功率微波辐射源的研究中取得重要研究进展。他们利用超构材料中的反向切伦科夫辐射机理，创造性地提出一种新型全金属超构材料慢波结构，发展了一种反向切伦科夫辐射振荡器(Reversed Cherenkov Radiation Oscillator, RCRO)。实验表明RCRO具有高的电子效率和小型化的特性。成果以“Compact Reversed Cherenkov Radiation Oscillator with High Efficiency”为题，于2022年1月31日发表在美国物理联合会（AIP）旗下的Applied Physics Letters上。

超构材料是一类自然界不存在的人工构造的亚波长结构，具有奇异的电磁特性。自2000年以来，超构材料得到了广泛的研究，其中自由电子在超构材料慢波结构中高速运动产生的反向切伦科夫辐射正好符合真空电子器件的特征。超构材料本身具有的亚波长和强谐振特性有助于真空电子器件实现小型化和高效率。近年来，超构材料微波辐射源因具有大功率、高效率、小型化或高增益等特点而得到了广泛的研究，是学术研究的热点，其应用领域广阔，备受关注。

鉴于此，电子科技大学和合作单位提出一种新颖的全金属超构材料慢波结构，它由8个周期加载圆波导的互补电开口谐振环构成，直径为40mm，长度为105mm，如图1所示。传输特性实验表明：该超构材料慢波结构在2.35GHz处的S₂₁仅为-1.01dB。他们设计了一种能产生1.5-7A的圆形注的栅控电子枪，发展了一种均匀永磁聚焦系统来聚焦圆形注，在中心轴线上的磁感应强度仅为~962G。在上述基础上，研制出一种RCRO，如图2所示。相关实验在南京三乐集团有限公司完成。测试结果显示：在2.221GHz处，该器件的输出功率为10.16kW，电子效率高达19.54%。其电子效率是目前公开报道的同类器件中最高的。同时，该器件的全金属超构材料慢波结构的横向尺寸仅为～0.33λ（λ为自由空间的波长），纵向长度仅为～0.78λ，具有典型的小型化特征。RCRO在大科学装置、生物医学成像、微波加热、微波杀菌消毒等领域具有重要的应用前景。

图1 全金属超构材料慢波结构

图2  RCRO样管

国外同行开展了类似的研究工作。例如，在2016年，美国麻省理工学院的R. J. Temkin研究组提出了一种超构材料慢波结构，其横向尺寸为43╳63mm²，纵向长度为370mm，实验结果表明：该大功率微波辐射源在2.4GHz处输出功率为5MW，电子效率为12.15%；在2020年，美国新墨西哥大学的Edl Schamiloglu研究组提出了一种超构材料返波管，慢波结构由11个周期错位排列的开口谐振结构构成，直径为50mm，长度为165mm。实测该器件在3GHz处输出功率可达22MW，电子效率为1.58%。

图3 （a）全金属超构材料慢波结构及同轴输入输出结构；（b）色散曲线及电压线（26kV）;（c）RCRO结构示意图

该项研究工作的合作者为南京三乐集团有限公司的金德军高级工程师和美国麻省理工学院物理系的陈敏教授。论文第一作者为吕志方博士生，通讯作者为段兆云教授。上述研究得到了国家自然科学基金委的创新研究群体、重点项目和面上项目的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0078211